Plasmonics的前沿和应用（讲稿）

第四章Plasmonics的前沿和应用4.1表面等离激元共振（SPR）及应用各种纳米金属结构的SPR，SERS，光通讯，非线性现象，sensors等4.2表面等离激元（SPP）波导槽形波导，杂化波导，介质金属混合波导，纳米金属球链波导，柱形波导等4.3周期性结构中SPP性质色散关系，几何共振，超透射等古英ygu@pku.edu.cn2010年4月

1 第四章 Plasmonics的前沿和应用 4.1 表面等离激元共振（SPR）及应用 4.2 表面等离激元（SPP）波导 4.3 周期性结构中SPP性质 各种纳米金属结构的SPR，SERS，光通讯， 非线性现象，sensors等 槽形波导，杂化波导，介质金属混合波导， 纳米金属球链波导，柱形波导等 色散关系，几何共振，超透射等 古英 ygu@pku.edu.cn 2010年4月

及应用4.1表面等离激元共振(SPR)各种形状金属颗粒SPR的共振范围Plasmon energy (eV)2.52.00.53.53.01.51.0UVVisibleNear infraredMid infrared4005006008001,0009,0003,000Wavelength (nm)Ag nanospheresAu nanospheresNanoshells,nanoeggnanostripNanorodsTrianglesCubesNanorice结论：通过调节纳米金属颗粒的形状，SPR可发生在可见光、红外和中红外波段。实际上：在太赫兹和微波波段，SPR的研究也很广泛。2Nano-opticsfromsensingtowaveguiding,N.J.Halas,naturephotonics/VOL1|641|20o7

2 4.1 表面等离激元共振（SPR）及应用 Nano-optics from sensing to waveguiding,N.J. Halas, nature photonics | VOL 1 |641| 2007 各种形状金属颗粒SPR的共振范围 结论：通过调节纳米金属颗粒的形状，SPR可发生在可 见光、红外和中红外波段。 实际上：在太赫兹和微波波段，SPR的研究也很广泛。 nanostrip

金小球的SPR及SERS4000IsolatedParticles3000a20001000DBulk200010005001500Raman shift, cmiununaggregated Auei结果：13nm的金小球，在aggregated Auisolated情况下，共振在520nm，*e在聚集时，共振在700nm。以及eose在647nm共振时的SERS。400500600800700Wavelength, nm3Preparation and Characterization of Au colloids MonolayersKatherineC.Grabaretal.Anal.Chem.1995.67.735-743

3 金小球的SPR及SERS Preparation and Characterization of Au colloids Monolayers Katherine C. Grabar et al, Anal. Chem. 1995,67, 735-743 结果：13nm的金小球，在 isolated情况下，共振在520nm， 在聚集时，共振在700nm。以及 在647nm共振时的SERS

银纳米岛的SPR及SERSoarsuraju80013.0 x 10*countssSEET16.0 nm.0.88.0 nm.1O3L50010001500Wavenumbers(cm)3.5nm0.21.8nmFIG.10. SER spectrum of 1.0 monolayer of BPE spin coated on a Agislandflm,dm=8nm.10mWofAex722nm.(nm)R0.3640.0中801000.10160结果：随着纳米小球尺寸的增加，20.0共振红移，场增益系数增加，以及0.0 在722nm共振时的SERS。600500700400800Wavelength (nm.)Atomicforcemicroscopyandsurface-enhancedRamanspectroscopy.l.AgislandfilmsandAgfilmoverpolymernanospheresurfacessupportedonglassR.P.VanDuyne et al.J.Chern.Phys.99,2101(1993)

4 银纳米岛的SPR及SERS Atomic force microscopy and surface-enhanced Raman spectroscopy. I. Ag island films and Ag film over polymer nanosphere surfaces supported on glass R. P. Van Duyne et al. J. Chern. Phys. 99 ,2101(1993). 结果：随着纳米小球尺寸的增加， 共振红移，场增益系数增加，以及 在722nm共振时的SERS。

银纳米三角形结构的制备及通讯波段SPR1491n2.0-1037mm1.5oes397nm1.00.50.040060080010001200140016001800Figure3.RepresentativeTEM images ofAg nanoprisms prepared by illu-Wavelength (nm)mination ofAg seeds with green (left) and red (red2, right) LEDs结果：除了光波段，我们看到了在1000到1500纳米间的SPR5Formationof SilverNanoprisms withSurfacePlasmonsatCommunicationWavelengthsVytautas Bastys etal,Adv.Funct.Mater.2006,16,766-773

5 Formation of Silver Nanoprisms with Surface Plasmons at Communication Wavelengths Vytautas Bastys et al, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 766–773 结果：除了光波段，我们看到了在1000到1500纳米间的SPR 银纳米三角形结构的制备及通讯波段SPR

银纳米三角形结构的SPR及近场分布100-10012b)Wavelength(nm)650800700600500400EOEE20-50--50.120nm(cne)oune-10010100200 nm300nm4nm400nm400101.2:200200Y24EoWu3eEoA!200-2006.02.02.51.53.00E(eV)4001.2.400400200400400-400adnmnmnmFigure 6. Calulated optical near-field distrihution of the Ag nanoprism for 633 nm excitation. Top row: dipolar mode for nanoprism with结果：随纳米三角形结构尺度的增加，共振红移；上图给出电偶极和电四极共振时的电场分布和电荷分布。6OpticalNear-FieldMappingofPlasmonicNanoprismsMatthiasRangetal,NANOLETTERS(2008)Vol.8,No.10,3357-3363

6 银纳米三角形结构的SPR及近场分布 Optical Near-Field Mapping of Plasmonic Nanoprisms Matthias Rang et al, NANO LETTERS (2008) Vol. 8, No. 10,3357-3363 结果：随纳米三角形结构尺度的增加， 共振红移；上图给出电偶极和电四极 共振时的电场分布和电荷分布

SNOM近场分布PD/MCTInterferometricS-SNOMBSlaser结果：用SNOM探测到的纳米三角phasedelay形结构的形貌及共振时的近场分布，0与理论计算相符。SAFMAgXSiO2ne)a)C43EN(a100nm20uV/div25μV/div10nm/div7OpticalNear-FieldMappingofPlasmonicNanoprismsMatthiasRangetal,NANOLETTERS(2008)Vol.8,No.10.3357-3363

7 SNOM近场分布 Optical Near-Field Mapping of Plasmonic Nanoprisms Matthias Rang et al, NANO LETTERS (2008) Vol. 8, No. 10,3357-3363 结果：用SNOM探测到的纳米三角 形结构的形貌及共振时的近场分布， 与理论计算相符

银Nanobars和Nanorices的SPRAB00000.20aoa1.2e)100nm0.150.8s0.100.40.050.000.04005006007008004006008001000Wavelength (nm)Wavelength(nm)C1100Da0000(u)yeodeuipouoCalculated1.21000(ne)100nm900Barsanes0.8800Rice7000.46005000.04005006007008001.01.52.02.53.03.5Wavelength (nm)AspectRatio结果：制备出的银纳米颗粒尺度在百纳米内，共振在光波段，用散射谱表征SPR。理论计算用DDA。8Synthesis and Optical Properties of SilverNanobars and NanoriceBenjaminJ.Wileyetal,NANOLETTERS(2007)Vol.7,1032

8 银Nanobars 和 Nanorices 的SPR Synthesis and Optical Properties of Silver Nanobars and Nanorice Benjamin J. Wiley et al, NANO LETTERS (2007) Vol. 7, 1032。 结果：制备出的银纳米颗粒尺度在百纳米内，共振在光波 段，用散射谱表征SPR。理论计算用DDA

金Nanorods的SPR及SERS0.5(H-0)g(0-0)g0.42.6s(e)sreeeAgg.NSsO2AN0.32.00.2Agg.NRs0.140060080010001200140018001600140012001000Wavelength(nm)Ramanshift(cm)结果：制备出的金纳米颗粒尺度在百纳米的尺度，共振波长在光到近红外，可增强SERS。50mSampic(hPreparationandGrowthMechanismofGoldNanorods(NRs)UsingSeed-MediatedGrowthMethodBabakNikoobakhtandMostafaA.El-Sayed,Chem.Mater.2003,15,1957-19629Surface-EnhancedRamanScatteringStudiesonAggregatedGoldNanorodBabakNikoobakhtandMostafaA.El-Sayed,J.Phys.Chem.A2003,107,3372-3378

9 金Nanorods 的SPR及SERS Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method Babak Nikoobakht and Mostafa A. El-Sayed，Chem. Mater. 2003, 15, 1957-1962 Surface-Enhanced Raman Scattering Studies on Aggregated Gold Nanorod, Babak Nikoobakht and Mostafa A. El-Sayed, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3372-3378 结果：制备出的金纳米颗粒尺度 在百纳米的尺度，共振波长在光 到近红外,可增强SERS

纳米金笼的SPR5Aotossext43abs.-20nm20600650700750800850900nWavelength (nm)C1.20 ml1.2mL1.7mL2.5mL(n'e)1.00.8o0n0.60.40.20.06008004001000.nnWavelength(nm)结果：制备出的纳米金笼尺度在百纳米内，共振波长在光波段，可用于癌症细胞的靶向治疗或免疫等。10ImmunoGold Nanocages withTailored Optical PropertiesforTargeted Photothermal DestructionofCancerCellsJingyiChenetal,Nanoletters,7,1318(2007)

10 纳米金笼的SPR Immuno Gold Nanocages with Tailored Optical Properties for Targeted Photothermal Destruction of Cancer Cells，Jingyi Chen et al, Nano letters, 7, 1318 (2007). 结果：制备出的纳米金笼尺度在百纳米内，共振波长在光 波段，可用于癌症细胞的靶向治疗或免疫等